硬盤(pán)構(gòu)造的基本原理

1、 目前流行的硬盤(pán)儲(chǔ)存器都具有非常完善而先進(jìn)的內(nèi)置式程序保障系統(tǒng)，它包括硬盤(pán)微處理器執(zhí)行碼和大量硬盤(pán)運(yùn)行所需的各種各樣的數(shù)據(jù)表。硬盤(pán)內(nèi)置式程序總的容量大小可以達(dá)到幾個(gè)Mbit。一旦硬盤(pán)的這種程序出現(xiàn)被損壞情況，那么，即使硬盤(pán)的整個(gè)機(jī)械裝置和電子器件完好無(wú)損，硬盤(pán)還是會(huì)出現(xiàn)部分或完全的工作故障。    本篇文章描述了硬盤(pán)程序保障的基本原理，硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)和地址分配。硬盤(pán)的空間結(jié)構(gòu)    對(duì)一個(gè)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)，不是所有的空間都用來(lái)儲(chǔ)存用戶的數(shù)據(jù)信息。有相當(dāng)一部分空間對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是看不見(jiàn)的，它包括服務(wù)區(qū)(Service Ar

2、ea)和備用區(qū)(Reserve Area)（詳見(jiàn)圖1）。圖1    服務(wù)區(qū)是用來(lái)儲(chǔ)存服務(wù)信息，即硬盤(pán)的內(nèi)部程序和一些輔助表格。備用區(qū)是用來(lái)替換用戶工作區(qū)內(nèi)的故障扇區(qū)和磁道。這兩個(gè)區(qū)域在硬盤(pán)正常工作狀態(tài)下是訪問(wèn)不到的。用戶只能訪問(wèn)到工作區(qū)的數(shù)據(jù)（通常情況下，這個(gè)區(qū)域被稱為硬盤(pán)的邏輯空間），而硬盤(pán)的容量標(biāo)簽中標(biāo)注的正是這一部分空間的容量，如HDD160G LBA:320173056。一個(gè)LBA（邏輯塊地址）就等于一個(gè)扇區(qū)，即512bit。這樣一來(lái)，知道了一個(gè)硬盤(pán)的LBA總體數(shù)量，也就知道了硬盤(pán)容量的大小。    硬盤(pán)在

3、正常工作（用戶）狀態(tài)下，對(duì)工作區(qū)（連續(xù)不斷的邏輯扇區(qū)）的訪問(wèn)是通過(guò)LBA進(jìn)行，即在0到最大LBA之間進(jìn)行。    要想接觸到服務(wù)區(qū)，只有在一種專門(mén)的工作狀態(tài)下，即技術(shù)工作狀態(tài)下才可能實(shí)現(xiàn)。而要想進(jìn)入這一工作狀態(tài)，則需要一把“鑰匙”指令，給出了“鑰匙”指令之后，就可以打開(kāi)一組補(bǔ)充的技術(shù)指令。借助這些技術(shù)指令就可以進(jìn)行諸如讀/寫(xiě)服務(wù)區(qū)的扇區(qū)信息、獲取服務(wù)區(qū)模塊和表格配置圖、獲取扇區(qū)分配表、進(jìn)行LBA與PCHS (Physical Cylinder Head Sector)（物理磁柱-磁頭-扇區(qū)）互換、進(jìn)行低級(jí)格式化，以及讀/寫(xiě)硬盤(pán)的閃存器等操作。服務(wù)信息服務(wù)

4、信息對(duì)硬盤(pán)運(yùn)行來(lái)說(shuō)是必須要有的，它可以分為以下幾類：微程序的管理模塊（overlay）；配置和設(shè)置表；缺陷表；工作記錄表（SelfScan, Calibrator程序的工作結(jié)果）。    硬盤(pán)微處理器的工作程序?qū)儆谟脖P(pán)工作所必需的一組程序。它包括初始診斷程序、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制程序、磁頭定位程序、與硬盤(pán)控制器及緩沖存儲(chǔ)器的信息交換程序等。所有這些合起來(lái)稱作硬盤(pán)程序。在有些型號(hào)的硬盤(pán)中，工作程序被配置在微控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)器或外部閃存器中（如2.5"的 “TOSHIBA”硬盤(pán)）。但是，對(duì)大部分型號(hào)的硬盤(pán)來(lái)說(shuō)，它的部分工作程序存儲(chǔ)在磁盤(pán)的服務(wù)區(qū)上，而在

5、電路板的緩沖存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)的是初始化程序、定位程序，以及從磁盤(pán)服務(wù)區(qū)向內(nèi)存儲(chǔ)器讀與復(fù)制的工作程序初始加載器。由于程序是從服務(wù)區(qū)向微處理器的緩沖存儲(chǔ)器中重新加載，而這里也是微處理器的工作地點(diǎn)，所以，它們的名字叫做“管理程序或overlay程序”（詳見(jiàn)圖2）。圖2    在服務(wù)區(qū)內(nèi)，“overlay”是以模塊的形式，即程序的終端進(jìn)行配置的，它包括模塊標(biāo)題、模塊主體，以及用于檢測(cè)該模塊完整性的檢測(cè)綜合區(qū)。當(dāng)“overlay”加載到緩沖存儲(chǔ)器時(shí)，硬盤(pán)微處理器對(duì)每個(gè)被加載的模塊檢測(cè)總數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后將其與模塊的檢測(cè)總數(shù)比特進(jìn)行比較。如果比較檢測(cè)總數(shù)的結(jié)果不一致，那

6、么，這個(gè)模塊就會(huì)被認(rèn)為已經(jīng)損壞，而且不能被加載到緩沖儲(chǔ)存器中。這正是大多數(shù)具有“overlay”程序硬盤(pán)出現(xiàn)工作故障的常見(jiàn)原因。通常，在出現(xiàn)這種故障時(shí)，硬盤(pán)是不能夠完整地運(yùn)行的，也就是說(shuō)，不是所有的“overlay”程序都能夠被加載到緩沖存儲(chǔ)器之中，并參與硬盤(pán)的工作。不同的“overlay”程序出現(xiàn)損壞，故障會(huì)表現(xiàn)出不同的形式來(lái)。例如，硬盤(pán)一直會(huì)處在“忙碌”狀態(tài)，不能夠準(zhǔn)備就緒，或者在硬盤(pán)的辨認(rèn)過(guò)程中，“BIOS”會(huì)確認(rèn)硬盤(pán)的出廠名稱（Mammoth, N40P, Calypso 等），或者型號(hào)在“BIOS”中會(huì)被確定出來(lái)，但此時(shí)的容量大小只有0G等。   

7、60;硬盤(pán)的配置和設(shè)置表包含有關(guān)于磁盤(pán)空間的邏輯和物理信息。這些表格對(duì)于電路板（一個(gè)家族的所有硬盤(pán)的電路板都是統(tǒng)一的）來(lái)說(shuō)是必需的，是為了讓電路板獨(dú)立地設(shè)置到這一家族的這一類型號(hào)上，也就是說(shuō)使電路板正確地選擇型號(hào)名稱、最大LBA值，正確地確定物理磁頭的數(shù)量和Zone分配表。    在設(shè)計(jì)某一型號(hào)的硬盤(pán)時(shí)，如容量為160G的雙磁盤(pán)硬盤(pán)時(shí)，自然而然一個(gè)磁盤(pán)上的容量為80G,而一個(gè)磁盤(pán)的一個(gè)表面容量，即四分之一硬盤(pán)的容量為40G。所以說(shuō)，生產(chǎn)商在不需要投入很大研發(fā)費(fèi)用的同時(shí),可以向市場(chǎng)推出很多型號(hào)和容量都不同的硬盤(pán)。如在一些容量小的型號(hào)硬盤(pán)中，可以使用一些由于

8、某些參數(shù)原因而不能夠被所有型號(hào)硬盤(pán)所使用的零件。舉例說(shuō)明，在容量最小的一些硬盤(pán)中，生產(chǎn)商可以使用某一表面具有缺陷的磁盤(pán)，因?yàn)樵谶@個(gè)硬盤(pán)中，該表面是不使用的。    配置表與工作程序一樣，是以模塊的形式被配置在硬盤(pán)的服務(wù)區(qū)內(nèi)，也包括標(biāo)題、模塊主體（表格）和檢測(cè)總數(shù)區(qū)。在鑒別硬盤(pán)時(shí)，配置表以同樣的方式加載到微處理器的緩沖存儲(chǔ)器之中，并計(jì)算和檢查檢測(cè)總數(shù)。配置表和工作程序一樣，對(duì)硬盤(pán)的工作是至關(guān)重要的。     通常情況下，一旦配置表發(fā)生損壞，那么硬盤(pán)在計(jì)算機(jī)的BIOS中便無(wú)法得到鑒別和確認(rèn)，或者在鑒別過(guò)程中，所顯示的硬

9、盤(pán)容量、型號(hào)、名稱及批號(hào)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤等。    缺陷表。目前的生產(chǎn)技術(shù)還不能夠確保所生產(chǎn)的每一個(gè)磁盤(pán)沒(méi)有任何缺陷。由于載體材料的非單一性、拋光打磨上的缺陷，以及在制作磁層時(shí)介入雜質(zhì)等因素，都有可能使硬盤(pán)的某些區(qū)域在讀寫(xiě)過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤。    帶ST506/412接口的老式硬盤(pán)，其缺陷磁道標(biāo)示貼在密封硬盤(pán)的外殼上，而且每一個(gè)硬盤(pán)都有一個(gè)備用容量，如20mbit的ST225型硬盤(pán)實(shí)際上有21.5mbit的容量，也就是說(shuō)1.5mbit的容量是用來(lái)供壞扇區(qū)和壞道使用的?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流行的硬盤(pán)也有一個(gè)富余容量，用來(lái)將工作區(qū)中的壞

10、扇區(qū)和壞道與備用區(qū)的正常扇區(qū)和磁道進(jìn)行替換。在使用了這樣一種替換機(jī)制以后，即使在磁盤(pán)工作區(qū)的磁表面上出現(xiàn)大塊區(qū)域的缺陷，硬盤(pán)的總體容量也不會(huì)減少。為了進(jìn)行這樣的替換，硬盤(pán)中有一個(gè)專門(mén)的缺陷隱藏程序，叫做“Defect Management”（缺陷管理）程序。該程序運(yùn)行的主要目的是發(fā)現(xiàn)硬盤(pán)中所有磁盤(pán)上的缺陷區(qū)域，然后再將其放置在一種名曰“缺陷表”的專門(mén)表格之中。之后，再對(duì)邏輯空間向物理空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)進(jìn)行重新計(jì)算，這樣一來(lái)也就隱藏了缺陷。    缺陷表是在生產(chǎn)廠家的廠內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中填寫(xiě)的。廠家發(fā)現(xiàn)的所有“壞”扇區(qū)序號(hào)均被填寫(xiě)在該表之中。這種操作被稱為“更新

11、（隱藏）缺陷”（UPDATE  DEFECT）。這樣，當(dāng)硬盤(pán)工作時(shí)，如需訪問(wèn)被隱藏的缺陷扇區(qū)，那么，硬盤(pán)會(huì)變更訪問(wèn)的地址，將訪問(wèn)指向備用區(qū)。所以，目前由生產(chǎn)廠家推出的最新型硬盤(pán)，在用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)是沒(méi)有缺陷扇區(qū)的。    大部分型號(hào)的硬盤(pán)都有兩個(gè)缺陷表，即初始缺陷表(Primary或P-List)和生長(zhǎng)缺陷表（Grown 或G-List）。初始缺陷表由生產(chǎn)廠家在進(jìn)行工廠內(nèi)部檢測(cè)SELFSCAN (intelligent burn-in)過(guò)程中填寫(xiě)。生長(zhǎng)缺陷表不由廠家填寫(xiě)，是用來(lái)填寫(xiě)在硬盤(pán)使用過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的缺陷。因此，幾乎所有硬盤(pán)的用戶指令表中有一個(gè)

12、叫“Assign”的指令，通過(guò)該指令就可以將對(duì)壞扇區(qū)的訪問(wèn)轉(zhuǎn)向備用區(qū)。這一指令被許多檢測(cè)程序所使用，其中包括廠家所推薦的修復(fù)硬盤(pán)壞扇區(qū)程序。在“Western Digital”（西數(shù)）硬盤(pán)中，有一種“Data Lifeguard”（數(shù)據(jù)救生）系統(tǒng)，可以在硬盤(pán)沒(méi)有訪問(wèn)時(shí)重新指定壞扇區(qū)。為此，硬盤(pán)要對(duì)磁盤(pán)的表面進(jìn)行自我檢測(cè)，并將用戶數(shù)據(jù)挪到備用區(qū)內(nèi)，有缺陷的扇區(qū)被打上“BAD”（壞）標(biāo)志。從隱藏缺陷的類型上講，這種方法與給出“Assign”指令一致。“富士”、“昆騰”、“邁拓”和“IBM”硬盤(pán)可以在“寫(xiě)”的過(guò)程中自動(dòng)隱藏缺陷，也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)是寫(xiě)入缺陷扇區(qū)，但硬盤(pán)本身可以將訪問(wèn)重新指向備用區(qū)，這時(shí)，

13、缺陷扇區(qū)被打上“BAD”標(biāo)志，其編號(hào)被填寫(xiě)到G-List表中。    工作記錄表包含硬盤(pán)生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中的一些輔助信息（如檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)程序運(yùn)行記錄等）。通常情況下，這些表格內(nèi)容并不重要，而且在一般用戶工作狀態(tài)下，它們的損壞并不會(huì)影響到硬盤(pán)的工作。但是，這些模塊在用戶準(zhǔn)備對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行二次使用（刷新），以及執(zhí)行“SelfScan”和 “Calibrator”等操作時(shí)會(huì)需要。    兩種隱藏缺陷的方法    當(dāng)使用“重新指定”（Assign)方法時(shí)，硬盤(pán)在“BAD”扇區(qū)的辨別區(qū)內(nèi)會(huì)打上被位移

14、扇面的標(biāo)記，然后再在該扇區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)打上備用扇區(qū)的序號(hào)，即需要訪問(wèn)，進(jìn)行讀寫(xiě)操作的扇區(qū)序號(hào)。通常，這個(gè)扇區(qū)就是用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工作區(qū)之后的第一個(gè)扇區(qū)（詳見(jiàn)圖3）。圖 3. 重新指定扇區(qū)法    在進(jìn)行讀寫(xiě)操作和訪問(wèn)壞扇區(qū)時(shí)，控制器會(huì)發(fā)現(xiàn)上面所說(shuō)的那個(gè)標(biāo)志和重新指定的地址，這樣就會(huì)將磁頭定位在備用區(qū)，以便讀寫(xiě)正常扇區(qū)上的數(shù)據(jù)。缺陷扇區(qū)在此情況下似乎已經(jīng)消失，但是，硬盤(pán)在每次工作時(shí)都會(huì)遇到壞扇區(qū)，并對(duì)磁頭進(jìn)行重新定位，使其在備用區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。每次遇到這種情況，我們就會(huì)聽(tīng)見(jiàn)硬盤(pán)磁頭發(fā)出“吱吱”的聲音，而且硬盤(pán)的運(yùn)行速度也會(huì)有所降低?！癆ssign”操作只能隱藏

15、數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的缺陷。如果錯(cuò)誤與鑒別區(qū)和伺服標(biāo)記破壞有關(guān)，那么，“Assign”操作是不能隱藏這種缺陷的。    生產(chǎn)廠家隱藏缺陷扇區(qū)的方法被稱為“忽略缺陷扇區(qū)法”。使用這種方法時(shí)，缺陷扇區(qū)被忽略，而下一個(gè)扇區(qū)被冠以缺陷扇區(qū)的序號(hào)（以此類推），這樣，最后一個(gè)扇區(qū)就被移到了磁盤(pán)的備用區(qū)（見(jiàn)圖4）。圖4.    使用這種隱藏方法會(huì)破壞低級(jí)格式化的連續(xù)性和完整性。LBA 向 PCHS轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)該考慮到壞扇區(qū)，并在數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)將其忽略。邏輯磁盤(pán)空間與物理格式之間的關(guān)系借助一種專用的程序-譯碼器實(shí)現(xiàn)，這種專用程序考慮到了磁盤(pán)的物理格

16、式、區(qū)域劃分，以及壞扇區(qū)與壞磁道已不再工作等因素。所以，忽略缺陷扇區(qū)法要求必須對(duì)譯碼器表進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)計(jì)算，而且還會(huì)破壞用戶事先寫(xiě)入數(shù)據(jù)的完整性。正因如此，這種隱藏方法只有在硬盤(pán)處在一種專門(mén)的技術(shù)工作狀態(tài)下才能使用。硬盤(pán)服務(wù)區(qū)的檢測(cè).    為了檢查硬盤(pán)服務(wù)區(qū)信息的完整性，需要使用一套專門(mén)的程序，以便能夠?qū)⒂脖P(pán)轉(zhuǎn)入技術(shù)狀態(tài)，一個(gè)模塊接著一個(gè)模塊來(lái)訪問(wèn)到硬盤(pán)的服務(wù)區(qū)，檢查硬盤(pán)服務(wù)信息的所有結(jié)構(gòu)。例如，為了對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)，可以在“Windows”系統(tǒng)軟件中使用PC-3000軟件-硬件綜合系統(tǒng)。在檢測(cè)和恢復(fù)硬盤(pán)服務(wù)區(qū)信息方面，該系統(tǒng)具有相當(dāng)發(fā)達(dá)的專用菜單。

17、60;   當(dāng)運(yùn)行服務(wù)區(qū)（Service Area）結(jié)構(gòu)檢測(cè)（structure test）程序時(shí)，服務(wù)區(qū)的每一個(gè)模塊都會(huì)依次得到檢查。檢查的項(xiàng)目包括模塊標(biāo)示符、標(biāo)示符的長(zhǎng)度、檢測(cè)總和及其它參數(shù)（見(jiàn)表1）表 1-Id:磁柱 :磁頭: 扇區(qū): 大小:讀 : Hdr :CS : 日期:     Vers.: 說(shuō)明                  &#

18、160;                 -19:  -1:   0:     2:  19:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram  1B:  -1:   0:    22:

19、0;  2:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram  1A:  -1:   0:    25:   4:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0200? :                

20、   42:  -2:   0:     0:   2:Yes  : Ok  : Ok  :03-01-04:0202? :Configuration (HDD ID)      43:  -2:   0:     3: 360:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0200? :P-List

21、 (Primary defect)  44:  -2:   0:   364:   8:Yes  : Ok  : Ok  :05-01-04:0200? :G-List (Grown defect)        59:  -2:   0:   373:   4:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0

22、100? :T-List (Track defect)       5A:  -2:   0:   378:   1:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100? :                     &

23、#160;          20:  -2:   0:   380: 144:Yes  : Ok  : Ok  :01-01-04:0701? :Translator (PD List)    25:  -2:   0:   525:  15:No   :  :   : :   :                  Translator (RBB List)   23:  -2:   0:   541:   6:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:C807? :Translator (S